变压器中性点保护间隙形式的新思考

发布日期：2009-8-31 13:23:30       浏览次数：[1031]
为避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统，并产生较高的工频过电压。对可能形成的这种局部系统，低压侧有电源的110kV及220kV变压器不接地的中性点要装设间隙。因接地故障形成局部不接地系统时该间隙动作；系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙不动作。当变压器中性点绝缘的冲击耐受电压偏低时，还应在间隙旁并联金属氧化物避雷器。
近几年中性点保护间隙和避雷器并联成套设备（有些还带接地隔离开关）的制造正在初步形成规模，各企业对设备制造的理论依据各有不同，但实际产品都存在两个常见问题。
一、放电间隙与避雷器的分工配合不理想。
二、间隙放电后烧损严重，往往一两次工作就完全变形无法继续使用。
我们依据多年制造维护经验，并结合具体试验，对出现的上述问题进行了如下思考和改进。
变压器中性点产生过电压常见以下几种情况：
一、系统发生单相接地故障。
出现这种情况时，依据从故障点看的系统零序电抗和正序电抗，可以计算出在不接地中性点上的过电压数值。
二、形成局部不接地系统且变压器低压侧有电源。
出现局部不接地系统（如系统发生接地故障跳闸，故障保留在局部系统中），变压器中性点电压将可能升高到相电压。
三、雷电过电压。
出现感应雷或侵入雷，导致瞬间冲击形式的过电压。
四、其它断线过电压。
如导线意外断落，断路器意外拒动作等造成的过电压。这类过电压主要为谐振形式。
分析上面的四种主要形式的过电压，显然雷电过电压需要避雷器来工作吸收。由于避雷器（目前都采用MOA）存在无法吸收持续能量的问题，其它形式的过电压不能靠避雷器来吸收。
单相接地产生的中性点电压升高，其值不高，可按下式估算：

这个过电压是变压器中性点绝缘能力可以承受的，不需要特别的设备进行保护。
而对于前面归纳的第二和第四两类过电压，才是需要间隙来保护的。由于这两类过电压都是幅值变化大，持续时间比较长的，无法归纳出精确的保护点，所以一般设计上都按照间隙工频放电电压不大于其保护的变压器中性点工频绝缘水平（工频1min耐受值）来设计间隙的工频击穿值。
最后，还需要分析间隙冲击放电范围，以及避雷器的工频耐受能力，以实现比较好的配合。
通过上面分析的变压器中性点保护间隙和避雷器成套设备的选型原则，我们可以大致了解厂家设计此类设备的计算过程。从理论上说，这个设计是可靠的，安全性能比较好。但是为什么实际使用中却出现烧间隙问题？我们通过对多年实践的总结，认为是材料和间隙形式的缺陷导致实际使用效果远不如理论。
前些年没有出现这类成套设备，变电站多采用自己采购配件（隔离开关、避雷器、绝缘支柱），现场用两根金属棒按电力规程要求拉开合适的距离，做成一个棒-棒间隙，用来进行变压器中性点保护。这个办法虽然简单，但是还是有一些效果。有时出现间隙不正常放电或者烧损，一般也解释成安装单位不是避雷器厂，对绝缘配合理论理解不深刻，导致间隙和变压器的配合、和避雷器的配合设计有误，也可以说得过去。
但是现在由专门做过电压保护设备的企业，按严格的绝缘配合计算设计的变压器中性点保护间隙成套设备，依然不时出现烧间隙的问题，这恐怕已经不是绝缘配合理论理解不深刻的问题，我们要思考更深层次的因素。我们结合生产实践，认为依然出现这些问题，是间隙形式的不合理造成的。
传统的棒-棒间隙，由于实际使用中事故率比较高，所以并不得到多数企业的认可。目前专门做变压器中性点保护间隙成套设备的厂家，很多都倾向改变间隙结构为水平球型间隙。因为球型间隙有一个明显的优点，就是放电分散性比较小，可以比较理想的达到与理论计算差不多的实际放电电压控制值。但是间隙烧损严重真的是因为实际工作电压与理论计算不一致导致的吗？如果说间隙烧损是由于放电分散性太大，大到了在低于前面列举的第一类过电压（单相接地导致中性点电压升高）时就放电，那采用球型间隙是一个合理的选择。然而事实上大多数时候间隙的烧损并不是放电电压偏低误工作造成，而是放电以后拉弧时间过长电弧持续灼烧一点造成，这个是采用球型间隙也无法解决的问题，灭弧性能球型间隙并不比简单的棒-棒间隙好到哪里去。所以我们虽然把放电分散性控制下来了，但是并不能真的解决掉烧间隙的问题。只有提高间隙的灭弧能力，才可以解决电弧长时间灼烧导致间隙使用寿命很低的问题。
基于这个考虑，我们考察了各种间隙灭弧能力的运行经验，认为采用角型间隙可以有效解决这个问题。相关的运行经验已经很多，但为了直观验证击穿后灭弧时间和灭弧后烧损情况，我们又进行了如下比较试验。
试验为单相电源，间隙击穿900ms后自动跳闸。在三种短路电流下对比球型间隙和角型间隙各做5次试验。
间隙球直径100mm，间隙角45度，长度100mm。
试验结果如下：

短路电流
500A
1500A
3000A
球间隙
灭弧情况
自动灭弧3次，2次跳闸
自动灭弧2次，3次跳闸
5次均靠跳闸才能灭弧
烧损情况
均轻微烧损，可继续使用
3只烧损比较大，但还可继续使用
铜球均严重烧损，无法继续使用
角间隙
灭弧情况
全部自动灭弧
全部自动灭弧
全部自动灭弧
烧损情况
几乎无损伤
几乎无损伤
2只轻微烧损，可继续使用。3只几乎无损伤
由于条件限制，此项试验的调节广度和次数均不大，还不能作为定量科学分析的依据。但可以从中定性的看出，角型间隙的灭弧能力远远优于球间隙，而且在短路电流偏高的情况下，优势更为明显。虽然没有进行重合闸的模拟，但是可以推论如果自动灭弧成功，重合闸是成功率很高的。角型间隙产生弧光后可以自动拉长电弧降低短路电流，对灭弧的实际作用很明显。
最后分析一下降低冲击系数（冲击因数）的问题。球型间隙的另一个卖点是冲击系数低。冲击系数降低是否真的那么重要呢？我们认为不是的。
前文已经列举了中性点过电压产生的几个主要类别，会出现高幅值的冲击放电的，就是雷击。事实上并联避雷器可以非常好的限制这类过电压，在有并联避雷器的情况下，不需要特别考虑放电间隙的冲击系数是不是需要很低，实际使用中的出现感应雷和侵入雷，根本不靠放电间隙工作来释放。
为了节约成本，在变压器中性点绝缘水平比较高的时候，有的厂家建议用户可以只安装间隙而不需要并联避雷器，因此这个时候间隙的冲击系数就很重要。但是由于间隙自身放电还存在响应时间远远大于MOA的缺点，为了能够有效的释放雷击（而且实际往往是多重雷）这样很短的瞬间冲击，即使间隙冲击系数理论计算上可以满足绝缘配合要求，我们认为也不宜在变压器中性点只安装间隙而不并联避雷器。
综上所述，对于变压器中性点保护间隙成套设备，采用角型间隙代替球型间隙，可以有效提高间隙灭弧性能，真正意义上降低间隙烧损事故，大大提高间隙的使用寿命。而同时换用角型间隙并不破坏设备间的绝缘配合设计，对产品的保护性能没有影响，是一个合理的选择。
参考文献
1、DL/T 620-1997, 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].
2、国家电力调度中心.国家电网公司二十五项电网重大反事故措施[S]中国电力出版社，2006.
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